Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 8
1.1. Систематика и распространение Lonwera subsect. Caeruleae 8
1.3. Морфология репродуктивных органов 12
1.3.1. Изменчивость - основные понятия 12
1.3.2. Морфогенез и изменчивость репродуктивных органов
1.4. Микроспорогенез 19
1.5. Семенная продуктивность 21
1.6. Влияние изменения условий произрастания растений на цитогенетические характеристики CLASS ГЛАВА 2. Объекты, условия и методы исследования CLASS
2.1. Объекты исследования 34
2.2. Условия проведения исследований 36
2.3. Методы проведения исследований 46
ГЛАВА 3. Изменчивость репродуктивных органов lonicera caerulea
3.1. Изменчивость репродуктивных органов жимолости синей различного эколого-географического происхождения в условиях интродукции правобережной лесостепи Приобья 54
3.2. Изменчивость репродуктивных органов L. caerulea subsp. altaica в природных популяциях Горного Алтая
3.2.1. Изменчивость морфологических признаков 62
3.2.2. Особенности тератных форм.. 68
ГЛАВА 4. Особенности микроспорогенеза lonicera caerulea 75
4.1. Фертильность мужского гаметофита L-шегм/ш 75
4.1.1. Фертильность пыльцевых зерен в интродукции 75
4.1.2. Фертильность пыльцевых зерен в природных популяциях L. caerulea 78
4.2. Особенности мейоза у образцов с различным уровнем фертильности 80
4.2.1. Особенности мейоза у L. caerulea s.l. в условиях интродукции 80
4.2.2. Особенности микроспорогенеза у L. caerulea subsp. altaica с нарушениями строения соцветий 85
ГЛАВА 5. Репродуктивные особенности l. Caerulea subsp. Altaica в популяции горного алтая в локальной зоне геологической неоднородности (верх-уймон) 94
5.1. Фертильность и морфометрические характеристики пыльцы 95
5.2. Характеристики плодов и семян L. caerulea 99
5.3. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства 107
Выводы 122
Список литературы
- Морфогенез и изменчивость репродуктивных органов
- Условия проведения исследований
- Изменчивость репродуктивных органов L. caerulea subsp. altaica в природных популяциях Горного Алтая
- Фертильность пыльцевых зерен в природных популяциях L. caerulea
Введение к работе
Актуальность исследований. В последние десятилетия проблема изучения действия экологических факторов на растительные организмы становится всё более актуальной. Стрессовое состояние растений приводит к функциональным расстройствам и нарушениям генеративных процессов. Под действием различных факторов в периоды микро- и макроспорогенеза происходят структурные физиологические нарушения, оказывающие сильное влияние на формирование гамет и последующее формирование зародыша. Устойчивое и эффективное семенное воспроизводство считается наиболее существенным условием стабильности природных популяций. Поэтому для сохранения биоразнообразия, а также для получения новых форм и сортов необходимо изучение репродуктивной способности растений и оценка влияния на нее различных факторов среды (Батыгина и др., 2010). Данное направление исследований приобретает особую актуальность в связи с выявлением механизмов воздействия внешних неблагоприятных факторов на репродуктивные структуры в аспекте общей проблемы сохранения биологического разнообразия.
Среди новых, нетрадиционных для Западной Сибири ягодных культур жимолость синяя – Lonicera caerulea L. семейство Caprifoliaceae Juss. занимает особое место из-за уникального сочетания хозяйственно-ценных биологических свойств. Ягоды жимолости синей отличаются высоким содержанием витамина С и биологически активных фенольных соединений (Palikova et al., 2008), которые взаимно усиливают действие друг друга, а также макро- и микроэлементов (Боярских и др., 2013). Изучение особенностей репродуктивной биологии L. caerulea необходимо для получения более продуктивных форм и будет способствовать познанию фундаментальных механизмов реакции растений на различные эколого-географические условия.
Цели и задачи исследований. Цель работы – сравнительный анализ морфогенеза репродуктивных структур L. caerulea в связи с эколого-географическим происхождением образцов и популяций.
Задачи исследований:
-
Изучить изменчивость признаков репродуктивных органов L. caerulea в условиях интродукции и в популяциях Горного Алтая, различающихся по условиям произрастания;
-
Провести оценку фертильности мужского гаметофита представителей L. caerulea различного эколого-географического происхождения;
-
Проанализировать особенности протекания микроспорогенеза у образцов L. caerulea с разными показателями фертильности для выявления нарушений, ведущих к стерильности пыльцы;
-
Оценить репродуктивную способность (размеры и масса плодов, семенная продуктивность, всхожесть и энергия прорастания семян) растений L. caerulea;
-
Провести сравнительный анализ митотической активности, а также частоты и спектра хромосомных аберраций семенного потомства L. caerulea из контрастных условий произрастания.
Научная новизна. Выявлены нарушения мейоза у низкофертильных образцов L. caerulea. Среди нарушений в микроспорогенезе у этого вида впервые отмечен ци-томиксис. Показано увеличение уровней изменчивости признаков генеративной сферы и репродуктивной способности в зонах геологической неоднородности. Впервые изучены цитогенетические реакции L. caerulea на воздействие комплекса факторов, связанных с активными тектоническими процессами.
Теоретическая и практическая значимость. Проведенные исследования гетерогенности популяций L. caerulea по комплексу характеристик репродуктивной сферы в связи с их приуроченностью к контрастным по геолого-геофизическим характеристикам условиям местообитания важны для понимания закономерностей адаптивной реакции растений на воздействие факторов, связанных с активными тектоническими процессами. Полученные данные могут быть использованы для прогнозирования изменений, происходящих в растительных популяциях под воздействием природного и техногенного загрязнения среды.
Популяции, выявленные в тектонически активных зонах, могут быть источником ценных для введения в культуру генотипов. Результаты по биологии опыления могут быть использованы в селекции и подборе сортов для совместного выращивания.
Защищаемое положение:
Морфофункциональный ответ в популяциях L. caerulea на недифференцированный комплекс факторов, связанных с активными тектоническими процессами, проявляется в увеличении уровня изменчивости признаков репродуктивной сферы, семенной продуктивности, жизнеспособности семенного потомства и митотической активности корневых меристем проростков, а также ликвидации клеток с мутационным грузом.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в отечественных изданиях, из них 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК. Результаты работы представлены на следующих конференциях: XLIX Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011); Международных ботанических конференциях молодых ученых в Санкт-Петербурге (2012, 2015); «Проблемы и перспективы исследований растительного мира» (Ялта, 2014); «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2015); V международной школе для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Санкт-Петербург, 2016); «Проблемы сохранения растительного мира Северной Азии и его генофонда» (Новосибирск, 2011); «Биологическое разнообразие Урала и сопредельных территорий» (Екатеринбург, 2012); «Растительный мир Северной Азии: проблемы изучения и сохранения биоразнообразия» (Новосибирск, 2013); «Карпология и репродуктивная биология высших растений» (Москва, 2014); «Перспективы развития и проблемы современной ботаники» (Новосибирск, 2014); «Совершенствование сортимента и технологий размножения и возделывания садовых культур для условий Сибири» (Барнаул, 2012); XIII съезде РБО (Тольятти, 2013).
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Текст работы изложен на 163 страницах, иллюстрирован 59 рисунками и 10 таблицами. Список литературы содержит 406 наименований, в том числе 77 – на иностранных языках.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.б.н. И.Г. Боярских за помощь и поддержку при выполнении работы, д.б.н. Н.И. Маку-ниной за помощь при геоботаническом описании растительных сообществ, А.И. Бакиянову за данные по геофизической съемке местности, д.б.н. А.И. Сысо и к.б.н. С.А. Худяеву за описания почв и данные геохимических анализов, к.б.н. С.Г. Платоновой и к.б.н. А.Р. Агатовой за геоморфологические данные.
Морфогенез и изменчивость репродуктивных органов
Морфогенез L. caerulea L. s.l. подробно изучен на образцах различного эколого-географического происхождения Плехановой М.Н., Ретиной Т.А. и Артюшенко З.Т. Согласно литературным данным, в конце мая происходит обособление пазушных конусов нарастания в терминальных почках (Плеханова, 1986б). Каждая почка содержит зачатки нескольких цветков, которые формируются неодновременно. Это в следующем году приводит к неодновременности цветения и созревания плодов (Плеханова, 1990а).
Дифференциация цветочного бугорка начинается с расширения конуса нарастания в средней части цветочной оси. В основании цветка появляются два прицветничка, затем – бугорки чашелистиков. Ось цветка удлиняется и образуется слегка вогнутое цветоложе. Затем появляются бугорки внутреннего круга – лепестки, а позже появляются тычинки, столбик и рыльце (Артюшенко, 1951; Ретина, 1974).
У L. caerulea алтайского происхождения (subsp. altaica) в условиях г. Ленинграда к 1 июля в терминальных почках уже формировалась археспориальная ткань пыльников, обособлялись семяпочки (Плеханова, 1986б), а в первой половине июля у L. caerulea камчатского происхождения (subsp. kamtschatica) в Ботаническом саду Московского университета органы цветка уже сформированы, и начинают обозначаться гнезда завязи (Ретина, 1974). У среднеазиатских образцов L. caerulea subsp. stenantha формирование цветка заканчивается позже – во второй половине июля, а у казахстанских образцов из долины р. Или L. iliensis – во второй половине августа. Стенки завязи у жимолостных формируются в основном видоизмененной цветочной осью, а плодолистики редуцированы и представлены сутуральными пучками и плацентами, несущими семяпочки, а также столбиком и рыльцем, которые нормально развиты (Артюшенко, 1951). У видов ранних сроков цветения в августе происходят дифференциация клеток археспория и образование стенок пыльников, появляются материнские клетки пыльцы. У видов средних и поздних сроков цветения этот процесс происходит в сентябре – октябре. Таким образом, побеги уходят в зиму на V этапе органогенеза (Куперман, 1963; Ретина, 1974). Редукционное деление происходит очень быстро, в первых числах апреля, за 3-4 дня. К середине апреля в пыльниках отмечаются тетрады микроспор, начинается усиленный рост всех частей цветка, и более северные интродуценты зацветают в первых числах мая (Ретина, 1974). Для L. caerulea характерна протогиния – пестик созревает в цветке первым и часто выставляется из бутона еще до раскрытия цветка. Через сутки после пестика созревают тычинки.
В норме цветки видов подсекции Caeruleae парные, расположены в пазухах нижних листьев и собраны в цимозное соцветие – дихазий, редуцированный до двуцветника: двух цветков, завязи которых заключены в обертку из сросшихся прицветничков (Arber, 1903; Артюшенко, 1951; Troll, Weberling, 1966; Плеханова, 1990б; Коропачинский, Встовская, 2002).
В соцветии дихазий главная ось заканчивается верхушечным (терминальным) цветком, а супротивно расположенные боковые оси возрастающего порядка развиты одинаково и также заканчиваются верхушечным цветком (Коровкин, 2007). В нормально развитых соцветиях L. caerulea терминальный цветок редуцирован, а процесс формирования дихазия ограничивается формированием боковых ветвей первого порядка. Гинецей синкарпный 2-гнездный (Скворцов, Куклина, 2002), семязачатков много в каждом гнезде, клетки ткани завязи однородные (Артюшенко, 1951). Тип соцветия, наблюдаемый у нормальных растений жимолости синей, морфологи признают наиболее прогрессивным в роде Lonicera (Troll, Weberling, 1966; Хохряков, Мазуренко, 1968). Кузнецова Т.В. предполагает, что соцветие, характерное для видов рода Lonicera, сформировалось в результате редукции функциональных единиц на оси первого порядка, помимо терминального цветка редуцируются еще и цветки на боковых осях в верхушечной гомогенной области. Данный эволюционный процесс автор называет тупиковым усечением (Кузнецова, 1998).
Морфологические признаки цветка в видовом аспекте подробно рассмотрены А.И. Поярковой во флоре СССР. Цветки подсекции Caeruleae зигоморфные, пятичленные, венчик желтоватый, неясно двугубый, от трубчато-воронковидной до воронковидно-колокольчатой формы, с трубкой, мешковидно расширенной у основания (Пояркова, 1958).
У видов подсекции Caeruleae встречаются четыре основные формы венчика: трубчатая, трубчато-воронковидная, воронковидная, трубчато колокольчатая (Рисунок 1) (Плеханова, 1988). В.Н. Ворошилов (1992) дал определение основных форм венчика у L. caerulea: у воронковидной формы зауженная часть трубки составляет половину длины венчика, у колокольчатой формы эта часть короче половины длины венчика и толстая (около 2 мм в диаметре), а у трубчатой – длинная и тонкая (около 1 мм в диаметре). Соответственно, трубчато-воронковидная и трубчато-колокольчатая – это переходные формы с более длинной зауженной частью трубки. Эти формы характерны для большинства видов и подвидов, но частота встречаемости различна. У образцов из евроазиатской таежной зоны (subsp. pallasii), дальневосточных форм (L. caerulea subsp. venulosa и subsp. kamtschatica), среднеазиатских (subsp. stenantha) преобладающей является трубчато воронковидная форма венчика. У L. boczkarnikowii приморского происхождения и L. caerulea subsp. altaica преобладает трубчатая форма цветка, а для эколого 17 географических форм L. edulis из Забайкалья характерна воронковидная форма. Трубчато-колокольчатая форма в небольших количествах встречается у многих подвидов синей жимолости (Плеханова, 1990б). Рисунок 1 – Основные формы венчика L. caerulea по М.Н. Плехановой (1988, 1990). Примечание – 1 – трубчатая, 2 – трубчато-воронковидная, 3 воронковидная, 4 – трубчато-колокольчатая. Сомкнутость лепестков венчика тесно связана с его формой, но в то же время – заметный видовой признак. По данным М.Н. Плехановой (1990б), у полностью раскрытых цветков L. edulis и L. iliensis преобладает слабая сомкнутость лепестков (61-78%). Еще больше она характерна для L. caerulea subsp. stenantha, у которой отмечена особенность: лепестки венчика закручены кверху (37,5%). Значительная сомкнутость венчика характерна для L. boczkarnikowii, L. caerulea subsp. pallasii и L. caerulea subsp. kamtschatica. Подавляющее большинство (64-75%) эколого-географических форм L. caerulea L. s.l. имеет тычинки, далеко выступающие из венчика, так что видны не только пыльники, но и часть тычиночных нитей. Много таких цветков у L. caerulea subsp. venulosa (62%), L. boczkarnikowii и L. caerulea subsp. altaica (по 40%). Тычинки, полускрытые в венчике, с частично выступающими пыльниками, характерны для L. caerulea subsp. kamtschatica (59-74%); у L. caerulea subsp. pallasii и L. iliensis преобладают тычинки, совсем не выступающие из венчика (54-56%).
При изучении морфологии цветка L. caerulea s.l. М.Н. Плехановой (1990б) выявлены три формы прицветников: нитевидные, шиловидные и листовидные. Последние часто встречаются у L. caerulea subsp. kamtschatica, у большинства подвидов преобладает нитевидная форма прицветников.
Окраска венчика L. caerulea L. s.l. желтая, с различными оттенками. У L. caerulea subsp. altaica и L. caerulea subsp. venulosa преобладает бледно-желтая, у L. caerulea subsp. stenantha, L. caerulea subsp. pallasii и L. iliensis – беловатая. Зеленоватый цвет венчика чаще всего встречается у L. boczkarnikowii и L. caerulea subsp. kamtschatica.
У всех подвидов, кроме L. caerulea subsp. venulosa, превалирует желтая окраска нерастрескавшихся пыльников. У последней более половины форм имеют красные штрихи, а также встречается пурпурная окраска (Плеханова, 1990б).
Наиболее стабильными количественными признаками цветка являются длина венчика, длина трубки и диаметр венчика. Отношение длины трубки к длине отгиба изменяется в более широких пределах, а варьирование остальных признаков настолько значительно, что не позволяет установить существенность различий между ними (Плеханова, 1989, 1990б; Куклина, 2001).
У L. caerulea иногда отмечаются аномалии строения органов – тератологические изменения: сросшиеся парами цветки, цветки с утроенным количеством частей, плоды, распавшиеся на составные элементы, частичное срастание нескольких соплодий (Скворцов, Куклина, 2002). Причиной проявления этих аномалий могут служить внешние воздействия, которые растения реагируют в пределах заложенных генетически формообразовательных возможностей. Раскрытие этих возможностей является перспективным направлением исследований.
Условия проведения исследований
Методы изучения изменчивости. Внутривидовую изменчивость исследовали на эндогенном, индивидуальном и межпопуляционном уровнях с учетом методических разработок, содержащихся в работах С.А. Мамаева (1973, 1975). В природных популяциях на каждом исследуемом участке выбирали по 20 модельных кустов. С каждого куста отбирали по 20 цветков или плодов с учетом географической ориентации и расположения в кроне. Общее количество изученных морфологических признаков цветка – 12, признаков плода – 5. Все рассматриваемые параметры представлены количественными (метрическими) и качественными (описательными) признаками.
Часть признаков оценивали визуально с помощью соответствующих шкал (Плеханова, 1988), а большинство признаков путем измерений, взвешиваний, подсчетов. Изменчивость цветка исследовали по 12 признакам, согласно классификатору М.Н. Плехановой (1988): длина венчика, длина трубки венчика, диаметр воронки, окраска нераскрывшихся пыльников, опушение цветка, наличие трехцветковых соцветий, форма прицветников, сомкнутость лепестков, положение тычинок, форма венчика, окраска венчика, степень геркогамии [пространственного разделения тычинок и рылец пестика (Терехин, 1996)]. У плодов измеряли длину, ширину, массу, число выполненных семян в каждом плоде.
Амплитуда изменчивости оценивалась по унифицированной шкале уровней изменчивости С.А. Мамаева (1973). Согласно этой шкале, амплитуда изменчивости оценивается по величине коэффициента вариации. Уровень изменчивости считался очень низким при значении коэффичиента вариации менее 7%, низким при значениях 8-12%, средним при значениях 13-20%, повышенным при значениях 21-30%, высоким при значениях 31-40% и очень высоким при значениях коэффициента вариации более 40%. Методы анатомо-морфологических исследований. Для анатомо морфологических исследований отбирали смешанные почки, бутоны и соцветия на разной стадии развития. Почки фиксировали в течение 24 часов при комнатной температуре в уксусном алкоголе (фиксаторе Кларка), предварительно освободив их от покровных чешуй, а затем трехкратно промывали 70%-ным этиловым спиртом с интервалом в 1 час. Для приготовления уксусного алкоголя смешивали 3 части 96%-ного спирта и одну часть ледяной уксусной кислоты (Паушева, 1980; Барыкина и др., 2004). Строение соцветий описывали с помощью атласа (Федоров, Артюшенко, 1979).
Методы изучения фертильности пыльцы. Для оценки качества пыльцы у растений собирали и сушили при комнатной температуре желтые пыльники с созревшей, но еще не высыпавшейся пыльцой. Фертильность пыльцы определялась ацетокарминовым методом. Ацетокармин готовили следующим образом: в колбу с обратным холодильником (или воронкой) наливали 45 г ледяной уксусной кислоты и 55 мл дистиллированной воды, затем добавляли 1 г кармина. Растворение проводилось на водяной бане в течение часа. После отстаивания раствор фильтровали (Паушева, 1989).
Для приготовления временного препарата на чистое предметное стекло наносили пыльцу, легко высыпающуюся из сухих зрелых пыльников. Для окрашивания к ней добавляли каплю раствора уксусно-кислого кармина и накрывали покровным стеклом. Полученный препарат просматривали под микроскопом. Окрашенные пыльцевые зерна правильной формы считали фертильными, а за стерильные принимали неокрашенные пыльцевые зерна, пыльцевые зерна неправильной формы и сморщенные.
Размеры пыльцевых зерен рассчитывали при помощи программы SIAMS Photolab. Методы изучения микроспорогенеза. Фиксацию почек для исследования микроспорогенеза и определения времени протекания мейоза производили в условиях интродукции трижды с конца апреля до середины мая. В природных популяциях отбирали для фиксации бутоны размером около 2 мм, в которых с наибольшей вероятностью можно было наблюдать этот процесс. Для проведения исследования использовали два вида фиксаторов: фиксатор Кларка (уксусный алкоголь) и фиксатор ФАА. Оба фиксатора показывали одинаково хорошие результаты, однако ФАА был более удобен в полевых условиях, в связи с тем, что при его использовании можно делать промывку через месяц, а не через сутки.
Для приготовления ФАА смешивали 100 мл 70%-ного спирта, 7 мл 40%-ной формалина и 7 мл ледяной уксусной кислоты. Промывали материал 70%-ным спиртом три раза с интервалом в 1 ч (Барыкина и др., 2004).
При выполнении работы было также применено 2 способа окрашивания: гематоксилином и спирто-солянокислым кармином. В первой части работы по исследованию микроспорогенеза в условиях интродукции ЦСБС для окрашивания препаратов использовали гематоксилин, а затем был найден новый способ окрашивания кармином по Сноу (Абрамова, 1986), который дал лучшие результаты по сравнению с предыдущим. При окрашивании спирто-солянокислым кармином получались более чистые препараты с более светлой цитоплазмой, поэтому в дальнейшем мы стали использовать именно эту методику.
Для приготовления временных препаратов, окрашенных гематоксилином, проводили мацерации в соляной кислоте при 60С в течение 5 минут, а затем промывали пыльники в дистиллированной воде. Окрашивали препараты на предметном стекле гематоксилином с добавлением раствора уксуснокислого железа в 50%-ной пропионовой кислоте. Для приготовления гематоксилина 1 г гематоксилина растворяли в 50 мл дистиллированной воды кипячением на водяной бане или на слабом огне. Полученный раствор выдерживали на свету в посуде, удобной для свободного доступа воздуха в течение трех суток, затем к нему добавляли 50 мл ледяной уксусной кислоты. Приготовленный таким образом раствор красителя годен для употребления неограниченно долгое время (Паушева, 1989; Красников и др., 2016).
Изменчивость репродуктивных органов L. caerulea subsp. altaica в природных популяциях Горного Алтая
Каждый организм и его органы генетически имеют гораздо более широкие возможности развития, чем это проявляется морфологически. Тератологические изменения могут быть прогрессивными, а могут быть результатом возвращения различных частей растения к предковым формам (Дорофеев, 2002). Одним из возможных вариантов тератологических изменений является фасциация – аномальное слияние осевых (стебля, соцветия) или иных (цветок, плод) органов растения (Шавров, 1959). Среди фасциаций соцветий выделяют два типа: сильно разветвленные соцветия с увеличенным числом цветков и одиночные цветки неправильного строения с крайне увеличенным числом членов и утолщенными желобчатыми цветоножками. Между этими типами существует серия переходных образований (Данилова, 1961).
Фасциация различных органов нередко встречается как у дикорастущих, так и у культурных растений (Жуковский, 1950; Лисавенко, 1952; Павлова, 1955; Витковский, 1959; Шавров, 1959; Тутаюк, 1969; Павлова, 2011). Это явление имеет большое значение в формировании ряда признаков растений, особенно культурных (Федоров, 1958). Исследование генетически заложенных формообразовательных возможностей растений позволяет уточнить эволюцию видов и их систематическое положение, а также открывает новые возможные направления в селекции этих растений. В соцветии дихазий, характерном для подсекции Caeruleae, главная ось заканчивается верхушечным (терминальным) цветком, а супротивно расположенные боковые оси возрастающего порядка развиты одинаково и также заканчиваются верхушечным цветком (Troll, Weberling, 1966; Коровкин, 2007). В нормально развитых соцветиях L. caerulea терминальный цветок редуцирован, а процесс формирования дихазия ограничивается формированием боковых ветвей первого порядка (Рисунок 24). Тип соцветия, наблюдаемый у нормальных растений жимолости синей, морфологи признают наиболее прогрессивным в роде Lonicera (Troll, Weberling, 1966; Хохряков, Мазуренко, 1968).
Часто встречаемым типом аномалий у жимолости синей является срастание венчиков в соцветии парами. При этом наблюдается также срастание пестиков и редуцирование одной тычинки (Рисунок 25). Такие сросшиеся венчики часто наблюдались нами в больших количествах (до 30%) в природных популяциях (с. Верх-Уймон, долина р. Актуру). Причем массовое появление таких фасциированных соцветий отмечается лишь в отдельные годы, что позволяет сильную зависимость экспрессивности этого признака от условий произрастания. В некоторых природных популяциях отмечалось появление на растениях единичных трехцветковых цимоидов (см. Рисунок 25в).
На одном из растений в микропопуляции в окрестностях с. Верх-Уймон Основание, приуроченной к зоне сгущения разломной сети с повышенной эманацией радона (Боярских и др., 2015) ежегодно формировались тератные соцветия (Куликова, Боярских, 2014а). Для всех соцветий этого растения было характерно увеличение количества цветков – формировалось 6 и более цветков вместо двух (Рисунок 26). Как и у трехцветковых соцветий, в соцветиях этого тератного образца терминальный (верхушечный) цветок на осях разных порядков ветвления не был редуцирован. У аномальных соцветий наблюдался базипетальный порядок зацветания: терминальные цветки более развиты, быстрее распускаются и их завязи больше по размерам.
В результате морфологического изучения строения этих соцветий установлено, что они представляют собой многоцветковые цимоиды, т.е. многократно разветвившиеся дихазии, завязи которых срослись боковыми стенками (Рисунок 27б). Можно предположить, что у тератной формы процесс развития дихазия не останавливается, и соцветие продолжает ветвиться. Вначале развивается первая пара цветков дихазия, затем под каждым из них закладываются цветки следующего порядка ветвления (Рисунок 27 в, г). При этом междоузлие между цветками первого и второго порядка укорачивается, и цветки срастаются между собой. В результате сильного укорочения междоузлий формировалось соцветие с веерообразной, сросшейся в одну линию завязью, или завязи срастались в разных плоскостях, образуя неопределенную форму. Венчики цветков при этом не срастались между собой и не имели каких-либо видимых отклонений в строении (Куликова, 2012).
В некоторых случаях развитие соцветия на этом не останавливалось, на осях следующих порядков развивалось по одной боковой ветви, как в монохазии (Рисунок 28).
Схемы соцветий тератной формы. а – сросшиеся завязи, б – схема развития соцветия. Кроме того, у цветков тератной формы не наблюдалось срастания прицветничков вокруг завязей, они были свободными (см. рисунок 27а). В нормально развитых соцветиях L. caerulea L. s.l. прицветнички обоих цветков сросшиеся и образуют обертку, заключающую завязи и срастающуюся с ними у основания венчика, однако в пределах рода Lonicera они могут быть и свободными, как например у L. tatarica, L. xylosteum и L. chrysantha, L. canadensis, L. heterophylla, L. paradoxa, L. micrantha, L. japonica и др. (Пояркова, 1957; Шейко, 2007). У тератной формы мы наблюдали от 12 до 20 свободных прицветничков, при этом строгая зависимость от количества цветков отсутствовала. Прицветнички располагались вокруг соцветия в 1 или 2 ряда, частично срастались между собой, иногда по 2 или 3, а в некоторых случаях все, образуя чашевидную обертку, частично закрывающую завязи. В некоторых случаях происходило образование дополнительного прицветника, который был недоразвит. Вероятно проявление в процессе тератогенеза признаков, характерных для других видов рода Lonicera, является возвращением к чертам предковой формы. Выявленные тератологические изменения были характерны для всех соцветий данного растения и наблюдались в течение пяти лет, независимо от погодных условий года.
Формирование многоцветковых цимоидов можно трактовать как многократное повторение однотипных структурных единиц, т.е. как результат многократного ветвления (Байкова, 2006). Оно может способствовать более полному освоению растением ресурсов среды обитания, т.е. быть адаптивным. Однако, с другой стороны, многократное ветвление, как и другие аномалии развития, может приводить к серьёзным морфологическим или биохимическим нарушениям роста и развития генеративных органов.
Аномалии соцветий у жимолости ранее наблюдали только в условиях интродукции (Скворцов, Куклина, 2002; Ашимов и др., 2009), похожие аномалии отмечены и у других видов растений в условиях интродукции: у маслины, граната, смородины, сирени, тюльпана (Лисавенко, 1952; Павлова, 1955; Витковский, 1959; Тутаюк, 1969). Однако в природных популяциях подобных аномалий ранее не отмечено, что, скорее всего, связано с низкой жизнеспособностью и гибелью тератных особей.
В целом можно отметить, что появление аномалий соцветий происходит в тех же популяциях, где увеличивается изменчивость и проявляются наиболее редкие варианты признаков цветка. Эти популяции связаны, как правило, с зонами геологической неоднородности (Боярских и др., 2012, 2015; Куликова, Боярских, 2014а), и благодаря увеличению здесь полиморфизма могут быть источником ценных для введения в культуру генотипов. В этих зонах был собран материал для интродукции на участке ЦСБС и создана интродукционная популяция, в которой выделены 2 отборные формы с крупными неосыпающимися плодами десертного вкуса. Тератная форма была размножена микроклонально и интродуцирована для дальнейшего изучения ее развития и использования в качестве декоративного растения.
Фертильность пыльцевых зерен в природных популяциях L. caerulea
Известно, что при хранении в комнатных условиях семена жимолости синей сохраняют высокую всхожесть (62-95%) до 2 лет, в отдельные годы всхожесть может значительно снижаться (Гидзюк, 1981; Скворцов, Куклина, 2002; Белосохов, Белосохова, 2008). По данным А.К. Скворцова и А.Г. Куклиной (2002), семена с Алтая начинают прорастать на 11-15-й день и прорастают в течение 20 23 дней. Согласно другим литературным данным, у свежесобранных семян сортовых растений 90% семян прорастают на 14-23-й день, а у хранившихся в течение одного года – на 24-37-й день. (Белосохов, Белосохова, 2008). В нашем исследовании семена были посеяны в феврале и мае, то есть хранились при комнатной температуре 7 и 10 месяцев соответственно. При этом прорастание в феврале происходило в течение 15 дней, что говорит о более высокой энергии прорастания, чем у растений, описанных в литературных источниках. Такое отличие может объяснить точка зрения В.В. Романюка (1987), о том, что в случае раннего созревания при более высокой температуре и меньшей влагообеспеченности формируются семена, способные прорасти в текущем сезоне вегетации, а в случае позднего – образуются семена с большей глубиной покоя прорастающих следующей весной. Однако это не может объяснить разницы по всхожести и энергии прорастания между микропопуляциями, так как они находятся в сходных климатических условиях. В связи с этим можно предположить, что эта разница вызвана геохимическими и геофизическими условиями в этих микропопуляциях.
Исследований реакции репродуктивной сферы растений на природные геофизические и геохимические аномалии в литературных источниках нами не обнаружено. Изучалась реакция растений на техногенное загрязнение. Согласно данным других исследователей, репродуктивная способность растений под воздействием техногенного загрязнения может, как уменьшаться (Тимошок, Паршина, 1990; Ткаченко, Коробова, 1995; Карасева, 1998; Лянгузова, Комалетдинова, 2005; Прокопьев и др., 2014), так и увеличиваться (Жуйкова и др., 2002). При этом увеличение значений показателей репродуктивной сферы связывают с гибелью низкопродуктивных растений и увеличением доли высокопродуктивных (Жуйкова и др., 2002).
В проведенном исследовании в микропопуляции Восток формируется наибольшее количество семян в плоде. По сравнению с контрольной микропопуляцией эта разница достоверна (на 5%-ном уровне значимости). Это говорит в пользу версии о гибели низкопродуктивных растений в стрессовых условиях. Так же, как и в исследовании В.С. Безель с соавторами (2005), адаптированная к стрессу популяция ограничена в возможности адекватно реагировать на ежегодные изменения погодных условий по показателям семенной продуктивности.
Согласно геоботаническим описаниям, микропопуляции Контроль, А+, А-, Восток и Запад находятся в сходных условиях температурного, водного режима и инсоляции; произрастают на почвах со сходным гранулометрическим составом, значениями кислотности и содержания органического вещества (Боярских и др., 2012). В связи с этим, отмеченные изменения репродуктивных характеристик вызваны различиями, связанными с геологической неоднородностью среды. Поскольку участки А-, А+, Запад и Восток имеют контрастные геофизические характеристики, которые зависят от уровня сейсмической активности, а так же солнечной активности, реакция репродуктивных структур растений, произрастающих здесь, на сейсмические события и магнитные бури может быть различной, что и показывают результаты наших исследований. Увеличение репродуктивной способности L. caerulea subsp. altaica можно рассматривать как компенсационный механизм в ответ на влияние недифференцированного комплекса геоэкологических факторов.
Многочисленные исследования в разных странах мира посвящены изучению адаптивных возможностей растений в контрастных геохимических условиях произрастания. Большое внимание уделяется определению уровней аккумуляции химических элементов у разных видов растений и раскрытию механизмов адаптации растений к природным геохимическим аномалиям (Maestri et al., 2010). Цитогенетические исследования широко применяются с целью биологического мониторинга, так как позволяют фиксировать изменения еще на клеточном уровне организации живой материи до появления морфологических, физиологических и других отклонений от нормы (Биологический контроль …, 2010). Под действием различных мутагенных факторов у растений происходит увеличение числа аберраций хромосом в клетках меристематических тканей. Этот цитогенетический показатель в настоящее время используется для целей биологического мониторинга, он считается более чувствительным по сравнению с другими (рост, изменчивость количественных признаков, стерильность).
Цитогенетические методы используют в качестве критерия загрязненности экосистем радионуклидами и тяжелыми металлами, для оценки степени повреждения генетического аппарата растений в стрессовых условиях произрастания, исследования механизмов и возможных путей адаптации растений к стрессовым факторам (Шевченко и др., 1996; Биологический контроль …, 2010).
Эти же методы можно использовать и для изучения реакции растений на изменение комплекса факторов разной природы (химических элементов, радионуклидов и магнитных полей) в зонах сгущения дизъюнктивных нарушений метаморфических пород, вне зависимости от наличия конкретного лимитирующего фактора. Исследование цитогенетических эффектов недифференцированного комплекса факторов в зонах геологической неоднородности также позволит оценить генотоксичное воздействие на произрастающие здесь растения.
Неблагоприятные воздействия факторов окружающей среды, токсическая и мутагенная активность обычно исследуются на тестовых объектах: дрожжах, микроорганизмах, лимфоцитах крови, корешках лука (Bellani et al., 1991; Бессонова и др., 1996; Datta et al., 2011), культуре клеток (Majone, Rensi, 1979). Однако для биологического тестирования влияния на биоту процессов, связанных с разломной тектоникой, больше подходят многолетние высшие растения, поскольку они позволяют выявить эффект длительного воздействия.